基于AirTOp的龙嘉机场地面滑行路径优化研究

来源:用户上传      作者:李斌 谢春生

　　1.中国民用航空东北地区空中交通管理局 辽宁沈阳 110000;2.中国民航大学 天津 300300
　　摘 要：为了提高龙嘉机场的地面运行效率以及降低运行中的安全隐患，针对使用06号跑道的情况，通过地面滑行路径和冲突等待点两各层面讨论了现有运行模式下机场地面运行存在的问题。针对性的提出了两种优化方案，结合典型航班日的实际运行数据，通过AirTOp仿真软件，分别对现行以及两种优化方案下的机场地面运行进行模拟，对仿真得到的数据进行统计和对比，得出方案能够减少等待时间与飞机滑行的冲突点。
　　关键词：龙嘉机场;地面滑行;优化方案;AirTOp
　　
　　 航空器地面滑行路径规划问题本质上是一类资源规划调度问题，即研究为多架航空器分配共享的、有限的场面滑行资源，以使航空器完成搞笑的滑行，并使整体规划目标达到最优。[1]国内外学者已经针对滑行路径优化开展了多方面的研究。2006年Marín将场面运行过程看作是线性多物流网络，以总滑行时间最小为目标构造数学模型，采用分支定界法对分时间段的航班同时进行航班调度排序和滑行路径优化问题求解。[2]2010年Prateek Gupta等人在研究路徑优化问题时，将研究时段划分时间窗，采用Dijkstra算法求得最短滑行路径，然后以时间窗内延误时间最短为指标，使用MILP方法建立无冲突滑行路径模型。[3]2012 年李楠针对滑行冲突影响飞行安全的状态问题，提出在路径优化数学模型中加入航空器滑行规则、滑行间隔要求及路由冲突避免限制三个约束条件，利用A*算法给出了问题的优化航班滑行总时间。[4]2015年王玄对机场冲突热点区域的时间和空间分布特点进行研究，在此基础上提出基于有向图的航空器路径优化模型，并设立相关约束条件。[5]
　　当前，随着旅客出行需求和货邮运输量的日益增长，长春龙嘉机场作为东北亚航空枢纽机场，对航班量的需求愈益增加。然而，有限的空域资源和地面设施正逐渐成为约束航班量增长的瓶颈。龙嘉机场跑滑系统规模相对不大，但由于部分滑行路径以及停机位区域划分设置不合理，其航班在地面运行过程中的滑行效率问题逐渐凸显，这无疑会对航班放行正常性、机场塔台调度指挥以及机场整体运行效率造成一定程度的影响。在现有运行条件下，对龙嘉机场的跑道、滑行道构型和运行模式进行研究分析，结合实际运行数据，提出可行的改进方案，并使用AirTOp仿真工具加以比较，在提高机场航班的地面运行效率的同时降低运行中的安全隐患。
　　1 龙嘉机场飞行区运行情况
　　龙嘉机场飞行区目前拥有1条跑道，1条与跑道平行的滑行道A，另有一条未贯通的平行滑行道H，以及L1-L4，H1-H4若干垂直联络道及机坪滑行通道等。
　　
　　 在龙嘉机场的实际运行中，使用06号跑道时的运行效率问题相较24号跑道更为突出，因而本文针对使用06号跑道时的地面运行效率进行研究分析。
　　在龙嘉机场现行的运行方案下，进港飞机停靠A08-A14停机位时，航空器由L3联络道沿L滑行线进入各机位;停靠A15-A19停机位时，航空器由L2联络道沿L滑行线进入各机位;停靠A20-A28、101-109机位停靠时，航空器由L1联络道沿L滑行线进入各机位;停靠210-220停机位时，航空器由H4联络道沿L滑行线进入各机位;停靠221-232停机位时，航空器由H3联络道沿K1滑行线进入各机位;停靠B01-B05停机位时，航空器由H3联络道沿K1滑行线进入各机位。对于离港飞机，停靠A08-A14停机位时，航空器沿L滑行线由L4联络道进入A滑，停靠A15-A19停机位时，航空器沿L滑行线由L3联络道沿进入A滑，停靠A20-A28、101-109停机位时，航空器沿L滑行线由L2联络道进入A滑。停靠210-220停机位时，航空器沿L滑行线由L1联络道进入A滑，停靠221-232停机位时，航空器沿K2、L滑行线由H4联络道进入A滑，停靠B01-B05停机位时，航空器由H2联络道进入A滑。
　　2 地面运行分析及优化方案
　　由上一节对运行情况的介绍可知，目前运行的方案总体依据原则为使用就近联络道，进离港航班并未通过联络道隔离运行，在目前航班量较低的情况下，管制员可以依据实际情况灵活指挥，该方案有利于各航空器沿理论上距离最短的路径滑行。然而随着航班量的增加带来的管制员符合增加，在目前运行中未暴露出的H2、H3、H4、L1、L2、L3和A滑的交汇处的汇聚和交叉冲突;滑行道H2、H3、H4、L1、L2、L3上对头冲突将存在很大的安全隐患。
　　基于以上讨论和分析，依据以下几个原则，提出两个较为贴合实际的优化方案。（1）停机位区域内部形成循环;（2）停机位区域之间避免对头冲突;（3）主要使用的停机位滑行距离与滑行时间尽可能最短;（4）避免现行方案一些关键道口因冲突而产生的等待。
　　方案一的滑行方案为：进港飞机停靠A08-A19停机位时，航空器由L3联络道沿L滑行线进入各机位;停靠A20-A28、101-109、210停机位时，航空器由L1联络道沿L滑行线进入各机位;停靠211-217停机位时，航空器由L1联络道沿H滑行线经H4沿L进入各机位;停靠218-221停机位时，航空器由L1联络道沿H滑行线，经H4后，沿L进入各机位;或由H4联络道沿L滑行线进入各机位;停靠222-232停机位时，航空器由L1联络道沿H滑行线，经H4后，沿L经K1滑行线进入各机位;或由H4联络道沿L滑行线经K1滑行线进入各机位;停靠B01-B05停机位时，航空器由L沿K1滑行线进入各机位。离港飞机停靠A08-A14停机位时，航空器沿L滑行线由L4联络道进入A滑;停靠A15-A19，A20-A28停机位时，航空器沿L滑行线由L2联络道沿进入A滑，停靠101-109停机位时，航空器沿L滑行线由L2联络道进入A滑;停靠210-217停机位时，航空器沿L滑行线由L2联络道进入A滑;停靠218-221停机位时，航空器沿L滑行线由L2联络道进入A滑;停靠B01-B05停机位时，航空器由H2联络道进入A滑。 　　该方案的优点主要体现在：（1）避免了现在运行方案下的大量潜在冲突。（2）优化了停机位区域的划分，令210机位使用与A20-A28，101-109机位区域相同的进离港滑行路径。将原先的210-220与221-232区域优化为221-217与218-232区域，有利于进离场滑行路线的分离。（3）避免了快速脱离道D与垂直联络道L1交汇处存在的进、离港飞机之间严重的安全隐患。
　　方案一也存在一定缺陷，为了消除安全隐患，211-217区域的飞机离场时将长时间使用L滑行道，因而影响A20-28，101-210区域飞机的推出。部分机位因为进、离场垂直联络道的隔离使用，滑行路径有所增加。
　　方案二的滑行方案为：进港飞机停靠A08-A14停机位时，航空器由L2联络道沿L滑行线进入各机位，停靠A15-A19停机位时，航空器由L2联络道沿L滑行线进入各机位，停靠A20-A28、101-109、210停机位时，航空器由L2联络道沿L滑行线进入各机位，停靠211-217停机位时，航空器由H4沿L进入各机位，停靠218-221停机位时，航空器由H4沿L进入各机位，停靠222-232停机位时，航空器由H4沿L经K1滑行線进入各机位，停靠B01-B05停机位时，航空器由H4沿L经K1滑行线进入各机位。离港飞机停靠A08-A14停机位时，航空器沿L滑行线由L4联络道进入A滑，停靠A15-A19停机位时，航空器沿L滑行线由L3联络道沿进入A滑，停靠A20-A28、101-109、210停机位时，航空器沿L滑行线由L1联络道进入A滑。停靠211-217停机位时，航空器沿L滑行线由L1联络道进入A滑，停靠218-221停机位时，航空器沿L滑行线经H3由H经L1进入A滑，停靠B01-B05停机位时，航空器经H2由H经L1进入A滑。
　　方案二的优点为：（1）在规避了现运行模式中存在的大量冲突的前提下，对比方案一机坪运行效率有所提升。（2）从机坪运行安全角度出发，避免快速脱离道与机坪垂直滑行道交汇处存在的进离港的航班流的安全隐患。（3）停靠218-232停机位的飞机离场使用滑行道H，可减少与由快速脱离道进入A滑的进港飞机的冲突和汇聚。
　　3 航空器地面运行仿真建模
　　参考以往建模方法，[6-8]根据进、离港路线分析和龙嘉机场机场细则中的限制要求，建立了飞行区仿真模型。建立仿真系统，需要对系统参数进行设置。主要包括：（1）典型日航班时刻表，包括航空公司、航班号、机型、计划进离港时间、停机位、进离港跑道编号;（2）跑道占用时间（ROT）;（3）进出港安全间隔;（4）飞机滑行速度;（5）停机位的使用按照飞机机型、航空公司来分配;（6）跑道同时只能被1架飞机占用;（7）航空器在飞行区的其他运行标准参考相关规定;（8）飞行区AutoCAD布局图。仿真系统主要分为机场道面物理模型、运行条件设置、航班计划导入、仿真显示与控制以及仿真结果统计与分析。
　　4 航空器地面运行仿真结果分析
　　4.1 进港滑行方案仿真结果分析
　　进港航班地面运行时间是指进港航班接地时间至停机位时间之间的时间长度，由于研究范围为机坪，统计的进港滑行时间为脱离跑道至停机位的时间。
　　
　　 由上图分析可知，在现行的航班量下，现行方案的总体进港滑行时间分布均匀，分布区间在1分30秒至3分钟左右。考虑到冲突隐患，方案二调整了部分机位的滑行路径，导致部分机位的进港滑行时间增加，然而在主用机位210-232，方案二平均滑行时间为163秒，与现行方案平均滑行时间156秒相差不大。方案一主要考虑运行安全性因素，整体进港滑行时间居中。
　　
　　由上图分析可知，在现行的航班量下，现行方案、方案一和二的进港滑行时间整体分布均匀，分布区间在100秒至250秒，且集中分布在8时至23时，少量航班滑行在凌晨0时至3时。其中现行方案滑行时间最优，平均滑行时间为114.74秒。方案二和现行方案的进港滑行时间相差不大，方案二平均滑行时间为130.28秒，方案一较其他两种方案进港滑行时间长，平均滑行时间为137.03秒。
　　4.2 离港滑行方案仿真结果分析
　　离港航班地面运行时间是指离港航班从停机位推出到航班离地之间的时间长度，由于研究内容为机坪运行，统计内容为航班从停机位推出到跑道头之间的时间。
　　
　　由上图分析可得，现行方案、方案一和二的大部分机位的离港滑行时间一致，无明显差别，且滑行时间区间在400秒至600秒。方案二在101-109机位较其他方案平均高出50秒左右。
　　
　　由上图分析可知，在现行的航班量下，现行方案、方案一和二的离港滑行时间整体分布均匀，分布区间在400秒至600秒，部分时段航班的离港平均滑行时间会达到630秒。航班集中分布在早上6时至晚上23时。在现行运行情况下，现行方案、方案一和二的平均离港滑行时间为328.04秒、336.01秒和346.39秒，现行方案的离港滑行时间最短。
　　4.3 增量运行仿真分析
　　考虑到未来龙嘉机场的日航班量的增加以及滑行方案对未来机场运行的适应性，以及暴露潜在的冲突点，综合考虑龙嘉机场滑行道分布与高峰小时架次后，决定在现航班量基础上增加20%航班量，在计算机仿真基础上进一步对滑行方案进行分析对比。
　　
　　由上图可知，基于停机位下三种方案的进港滑行时间在1.2倍航班量的运行情况下，大部分机位的进港滑行时间相差不大，整体趋势平稳。主用机位210-223的平均进港滑行时间在100秒至150秒之间。
　　
　　由上图分析可知，在1.2倍的航班量下，现行方案、方案一和二的进港滑行时间整体趋势平稳，分布时段多集中在150秒至250秒，且均集中分布在8时至23时，少量航班滑行在凌晨0时至3时。在增量运行情况下，现行方案、方案一和二的平均进港滑行时间为120.08秒、135.04秒和135.41秒，三种方案的平均进港滑行时间相差不大。 　　
　　由上图分析可知，方案一、方案二和方案三平均滑行时间分别为552.97秒、558.05秒和555.38秒，平均离港滑行时间平稳，三种方案之间无明显差距。
　　
　　由上图分析可知，在1.2倍的航班量下，方案一、二和三的离港滑行时间整体分布均匀，分布区间在400秒至600秒，航班集中分布在早上6时至晚上23时，在9点的时间段，航班运行出现高峰期，方案一的离港滑行时间达到800秒。在增量情况下，方案一、二和三的平均离港滑行时间为360.09秒、354.24秒和341.97秒，方案三的离港滑行时间最短。
　　4.4 等待时间分析
　　根据AirTOp仿真工具进行仿真，对仿真运行中的航班所有等待或等待（blocked状态）进行分析。基于AirTOp仿真工具的特点，这种blocked状态按照运行逻辑可以分为等待和冲突两种类型。等待是由于进入跑道排队、起飞排队等情况导致的航班等待，这种情况会造成航班等待进入下一个运行阶段而消耗一定的时间。冲突的出现则时由于机场运行过程中出现的顺向、逆向和交叉冲突进行等待而消耗的时间。针对使用06号跑道的情况进行仿真，每种方案运行10次，获取每次仿真运行所有航班平均等待数据如下表所示。
　　 在现行运行情况下，06方案二和现行方案的进离港的平均等待时间比方案一少，平均每架航班的等待时间为10秒左右。
　　在1.2倍航班增量的情况下，06方案二的平均等待时间为18.82秒，较现行方案、方案一平均少等13.4秒、9.79秒，方案二的等待时间较其他两种方案有明显优势。
　　对各种方案性能进行了对比分析，为了避免对头冲突，06跑道优化方案一和方案二部分机位的滑行距离稍长。在现行航班量下，06跑的进离港滑行时间，现行方案都小于优化方案，然而随着航班量的增大，现行方案中为避免冲突而产生了等待，推荐方案的优势得以体现。1.2倍增量情况下，06跑道时平均每个航班滑行时间减少19秒，24跑道时，平均每个航班滑行时间减少34秒。从等待时间上分析，优化方案的冲突等待时间无论在现行航班量还是在1.2倍增量情况下都有一定的优势。
　　5 结语
　　对龙嘉机场的飞行区整体情况进行了介绍，重点分析了使用06号跑道运行存在的问题，提出了两个优化方案。结合典型航班日的航班运行数据，应用AirTOp仿真软件对不同方案下的机场地面运行效率进行了模拟;通过建立AirTOp仿真模型，结合实际运行数据，对不同优化方案下的地面运行进行模拟。统计得到的数据显示：方案二在航班进、离港滑行时间、等待时间的优化效果总体优于方案一，且随着航班量的增加，方案二的滑行时间增加比例与当前模式和方案一比较，相对较小。综合上述理论分析和仿真所得数据，推荐采用优化方案二。
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